JP7828339B2 - バッテリー、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

バッテリー、それを含むバッテリーパック及び自動車

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Description

本発明は、バッテリー、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。より具体的には、本発明は、内部電極組立体の動きを最小化できる構造を有するバッテリー、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、2021年2月19日付け出願の韓国特許出願第10-2021-0022881号、2021年2月19日付け出願の韓国特許出願第10-2021-0022893号、2021年2月23日付け出願の韓国特許出願第10-2021-0024424号、2021年3月8日付け出願の韓国特許出願第10-2021-0030291号、2021年10月1日付け出願の韓国特許出願第10-2021-0131207号、及び2021年10月1日付け出願の韓国特許出願第10-2021-0131208号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
バッテリーにおいて、集電効率の極大化のため、ハウジングが高さ方向に沿って上下に正極タブ及び負極タブがそれぞれ延びた形態を有する電極組立体が適用される。このような構造を有する電極組立体が適用されるバッテリーには、正極タブ及び負極タブのそれぞれを端子及びハウジングとそれぞれ接続させるための中間媒介体として集電体が用いられ得る。
この場合、例えば、正極集電体は電極組立体の一面を覆いながら正極タブと結合され、負極集電体は電極組立体の他面を覆いながら負極タブと結合される。また、前記正極集電体は端子と電気的に接続され、負極集電体はハウジングと電気的に接続される。
上述したような構造を有するバッテリーにおいては、特に負極集電体とキャップとの間に比較的に大きい空いた空間が形成され得る。また、前記キャップと反対側に位置するハウジングの底面と正極集電体との間にも空いた空間が形成され得る。
このような空いた空間は、電極組立体がハウジングの内部で、特に上下方向、すなわちバッテリーの高さ方向に沿って動く原因になり得る。前記電極組立体がこのように上下方向に動く場合、集電体と電極タブとの結合部位に損傷が発生し、さらに集電体とハウジングとの結合部位、集電体と端子との結合部位などにも損傷が発生するおそれがある。例えば、電極組立体が上下方向に振動すると、電極タブが曲げ伸ばしを繰り返しながら切れて、電池内部で短絡が発生することがある。
したがって、このような電極組立体の移動空間を最小限にする必要がある。また、電極組立体の移動空間の縮小のために適用する付加的な部品を使用する場合、工程が煩雑になり、製造コストも上昇するため、既存の部品を活用してこのような問題を解決する必要がある。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーのハウジング内で電極組立体が動いて電気的接続部位に損傷が発生することを防止することを目的とする。
本発明が解決しようとする技術的課題は上述した課題に制限されず、他の課題は下記の発明の説明から通常の技術者に明らかに理解できるであろう。
上述した課題を解決するため、本発明の一態様によるバッテリーは、第1電極と第2電極とこれらの間に介在された分離膜とが巻取軸を中心に巻き取られることでコア及び外周面を定義した電極組立体であって、前記第1電極は巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第1無地部を含む電極組立体と、下端に形成された開放部を通って前記電極組立体を収容するハウジングと、前記第1無地部と結合されて前記ハウジング内に位置する第1集電体と、前記開放部を覆うキャップと、前記第1集電体と前記キャップとの間に介在され、前記第1集電体と前記キャップとの間の距離に対応する高さを有するスペーサと、を含む。
望ましくは、前記スペーサは、第1集電体の一面において中心部に位置し得る。
本発明の一実施形態において、前記第1集電体は、前記電極組立体の一面において中心部に位置する支持部と、前記支持部から延長されて前記第1無地部と結合される無地部結合部と、前記支持部から延長されるかまたは前記無地部結合部の端部から延長されて前記ハウジングと電気的に接続されるハウジング接触部と、を含み得る。
望ましくは、前記スペーサは、前記第1集電体の前記支持部が前記スペーサの外側に露出しないように前記支持部を覆い得る。
特に、前記第1集電体に対向する前記スペーサの上端部の外径は、前記支持部の外径と同一であるかまたは大きくなり得る。
本発明の他の実施形態において、前記スペーサは、前記第1集電体の前記無地部結合部と前記第1無地部とが溶接されて形成される溶接部の少なくとも一部を覆い得る。
望ましくは、前記第1集電体に対向する前記スペーサの上端部の半径は、前記電極組立体のコアに最も近く位置する溶接部から前記電極組立体のコアまでの距離よりも大きく形成され得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記キャップは、周辺領域と比べてより薄い厚さを有するベンティング部を備え得る。
望ましくは、前記ベンティング部は、前記ハウジングの内圧が一定水準以上に増加すると破断するように構成され得る。
特に、前記ベンティング部は、前記キャップの両面の少なくとも一面上に形成されたノッチング(notching)部であり得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記ベンティング部は、閉ループを形成し得る。
望ましくは、前記ベンティング部は、円形であり得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記ベンティング部は、前記キャップの中心と前記キャップの端とを繋ぐ直線の中間よりも端側に位置し得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記ベンティング部は、前記キャップの周縁領域から下方に突出した扁平な領域の周縁に沿って形成され得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記スペーサは、前記キャップに形成された前記ベンティング部を覆わないように、ベンティング部よりもコア方向に内側に位置し得る。
望ましくは、前記キャップと対向する前記スペーサの下端部の半径は、前記キャップの中心から前記ベンティング部までの距離よりも小さく形成され得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記スペーサは、前記電極組立体の巻取中心孔と対応する位置に形成されるスペーサ孔を備え得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記支持部は、前記電極組立体の巻取中心孔に対応する位置に形成される第1集電体孔を備え得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記バッテリーは、前記電極組立体の外周面の少なくとも一部を覆い、前記ハウジングの内周面と接触するサイドカバーをさらに含み得る。
望ましくは、前記サイドカバーは、前記電極組立体の外周縁に沿って、前記電極組立体の外周面の少なくとも一部を覆い得る。
特に、前記サイドカバーは、前記電極組立体の外周面と前記ハウジングの内周面との間の距離に対応する厚さを有し得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記ハウジングは、外周面の周りが押し込まれて形成されたビーディング(beading)部と、前記ビーディング部の下方において前記開放部を定義する終端が前記キャップの周縁を包むように延長され折り曲げられたクリンピング(crimping)部と、を含み得る。
望ましくは、前記ハウジング接触部は、前記キャップと対面する前記ビーディング部の一面に接触し得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記第2電極は、巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第2無地部を含み得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記バッテリーは、前記第2無地部と結合される第2集電体と、前記ハウジングの上端に形成された閉鎖部と前記第2集電体との間に介在される絶縁体(insulator)と、をさらに含み得る。
望ましくは、前記絶縁体は、前記第2集電体と前記閉鎖部との間の距離に対応する高さを有し得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記スペーサは、弾性を有する材質から構成され得る。
本発明のさらに他の実施形態において、正極と負極との間で測定された抵抗が4mΩ以下であり得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記バッテリーの直径を高さで除したフォームファクタの比が0.4よりも大きくなり得る。
上述した課題を解決するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述した本発明の一態様によるバッテリーを複数個含む。
本発明の一実施形態において、前記バッテリーは、前記開放部の反対側に備えられて前記第2電極と電気的に接続される端子をさらに含み得る。
本発明の他の実施形態において、複数の前記バッテリーは、所定数の列で配列され、それぞれの前記バッテリーの前記端子及びハウジング閉鎖部の外部面は上側に向かって配置され得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記バッテリーパックは、複数の前記バッテリーを直列及び並列に連結する複数のバスバーを含み、前記複数のバスバーは、前記複数のバッテリーの上部に配置され、前記複数のバスバーのそれぞれは、隣接するバッテリーの端子同士の間で延長されるボディ部と、前記ボディ部の一側に延びて前記一側に位置したバッテリーの端子に電気的に接続する複数の第1バスバー端子と、前記ボディ部の他側に延びて前記他側に位置したバッテリーのハウジングの閉鎖部の外部面に電気的に接続する複数の第2バスバー端子と、を含み得る。
上述した課題を解決するため、本発明のさらに他の一態様による自動車は、本発明の一態様によるバッテリーパックを含む。
本発明の一態様によれば、バッテリーのハウジング内で電極組立体の動きが最小化されるため、電気的接続部位に損傷が発生することを防止することができる。
本発明の効果は上記の効果に制限されず、他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解できるであろう。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施形態によるバッテリーの外観を示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーの内部構造を示した断面図である。 本発明に適用される第1集電体の例示的形態を示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるスペーサが適用された領域を示した部分断面図である。 本発明のスペーサと第1集電体との位置関係を説明するための図である。 本発明のスペーサとベンティング部との位置関係を説明するための図である。 本発明の他の実施形態によるスペーサが適用された領域を示した部分断面図である。 本発明のバッテリーの底面を示した平面図である。 本発明の絶縁体が適用された領域を示した部分断面図である。 本発明のサイドカバーが適用された領域を示した断面図である。 本発明の分切片が形成された電極組立体を示した図である。 本発明の一実施形態による複数のバッテリーをバスバーを用いて直列及び並列に連結した様子を示した上部平面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを示した概略図である。 本発明の一実施形態による自動車を示した概念図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲において使われた用語や単語は通常的及び辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明の最も望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
また、発明の理解を助けるため、添付された図面は実際の縮尺通りに図示されず、一部構成要素の寸法を誇張して図示することがある。また、異なる実施形態における同じ構成要素に対しては同じ参照番号が付され得る。
二つの比較対象が同一であるという表現は「実質的に同一である」ことを意味する。したがって、「実質的に同一」とは、当業界において低い水準と見なされる偏差、例えば5%以内の偏差を有する場合を含み得る。また、所定の領域においてあるパラメータが均一であるとは、平均的な観点で均一であることを意味する。
また、第1、第2などが多様な構成要素を示すために使用されているが、これら用語は構成要素を制限するためのものではない。これら用語は単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用されるものであり、特に言及しない限り、第1構成要素は第2構成要素にもなり得る。
明細書の全体において、特に言及しない限り、各構成要素は単数または複数であり得る。
構成要素の「上部(または下部)」または構成要素の「上(または下)」に任意の構成が配置されるとは、任意の構成が該構成要素の上面(または下面)に接して配置されることだけでなく、前記構成要素と該構成要素の上に(または下に)配置された任意の構成との間に他の構成が介在され得ることを意味する。
また、ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されるとするとき、構成要素が相互に直接的に連結されるかまたは接続される場合だけでなく、各構成要素の間に他の構成要素が「介在」されるか、または、各構成要素が他の構成要素を通じて「連結」、「結合」または「接続」されることも含む。
明細書の全体において、「A及び/又はB」とは、特に言及しない限り、A、B、またはA及びBを意味し、「C~D」とは、特に言及しない限り、C以上D以下を意味する。
図1及び図2を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリー1は、例えば円筒形バッテリーであり得る。前記バッテリー1は、電極組立体10、ハウジング20、第1集電体30、キャップ40、及びスペーサ50を含む。
前記バッテリー1は、上述した構成要素の他にも、絶縁ガスケットG及び/又は端子60及び/又は第2集電体70及び/又は絶縁体80及び/又はサイドカバー90及び/又はシーリングガスケット100をさらに含み得る。
本発明は、電池の形状によって制限されず、他の形状の電池、例えば角形電池にも適用可能である。
図2、図4a、図7a及び図8を参照すると、前記電極組立体10は、第1無地部11及び第2無地部12を備える。前記電極組立体10は、第1極性を有する第1電極、第2極性を有する第2電極、及び第1電極と第2電極との間に介在される分離膜を含む。前記第1電極は正極または負極であり、第2電極は第1電極と反対極性を有する電極に該当する。
前記電極組立体10は、例えばゼリーロール(jelly-roll)構造を有し得る。すなわち、前記電極組立体10は、第1分離膜、第1電極、第2分離膜及び第2電極を順次に少なくとも1回積層して形成した積層体を巻き取ることで製造し得る。このようなゼリーロール型の電極組立体10は、その中心部に形成されて高さ方向(Z軸方向)に沿って延長される巻取中心孔Cを備え得る。ゼリーロール型の電極組立体10の構造は、円筒形バッテリーの技術分野において周知であるため詳細な説明は省略する。一方、前記電極組立体10の外周面上には、ハウジング20との絶縁のために追加的な分離膜が備えられ得る。
前記第1電極は、シート状の第1導電性基材、及び第1導電性基材の一面または両面に塗布されて形成される第1電極活物質層を含む。前記第1導電性基材の幅方向(Z軸方向)の一端部には、第1電極活物質が塗布されていない第1無地部11が存在する。前記第1無地部は、第1電極が広げられた状態を基準にすると、第1電極の長手方向に沿って一端部から他端部まで延在した形態を有する。前記第1無地部11は、それ自体が第1電極タブとして機能することができる。前記第1無地部11は、電極組立体10の一面上に備えられる。より具体的には、前記第1無地部11は、ハウジング20内に収容された電極組立体10の高さ方向(Z軸方向)の下部に備えられる。
前記第2電極は、シート状の第2導電性基材、及び第2導電性基材の一面または両面に塗布されて形成される第2電極活物質層を含む。前記第2導電性基材の幅方向(Z軸方向)の他端部には、第2電極活物質が塗布されていない第2無地部12が存在する。前記第2無地部12は、第2電極が広げられた状態を基準にすると、第2電極の長手方向に沿って一端部から他端部まで延在した形態を有する。前記第2無地部12は、それ自体が第2電極タブとして機能することができる。前記第2無地部12は、電極組立体10の他面上に備えられる。より具体的には、前記第2無地部12は、ハウジング20内に収容された電極組立体10の高さ方向(Z軸方向)の上部に備えられる。
すなわち、前記第1無地部11と第2無地部12とは、電極組立体10の高さ方向(Z軸方向)、すなわちバッテリー1の高さ方向に沿って互いに逆方向に延びて突出して分離膜の外部に露出する。
一方、図8を参照すると、前記第1無地部11及び/又は第2無地部12の少なくとも一部は、電極組立体10の巻取方向に沿って分割された複数の分切片Fを含み得る。この場合、前記複数の分切片は、電極組立体10の半径方向に沿って折り曲げられ得る。折り曲げられた前記複数の分切片は、電極組立体10の半径方向に沿って多重に重なり得る。この場合、後述する第1集電体30及び/又は第2集電体70は、複数の分切片Fが多重に重なっている領域に結合され得る。一方、前記電極組立体10は、第1無地部11の分切片Fの重なった層の数が電極組立体10の半径方向に沿って一定に維持される領域である溶接ターゲット領域を備え得る。この領域では、重畳層の数が略最大に維持されるため、後述する第1集電体30と第1無地部11との溶接及び/又は第2集電体70と第2無地部12との溶接がこの領域内で行われることが有利である。これは、例えばレーザー溶接を適用する際、溶接品質を向上させるためレーザーの出力を高める場合、レーザービームが第1無地部11及び/又は第2無地部12を貫通して電極組立体10を損傷させることを防止するためである。また、これは、溶接スパッタなどの異物が電極組立体10の内部に流入することを効果的に防止するためである。
本発明において、正極集電体にコーティングされる正極活物質及び負極集電体にコーティングされる負極活物質は、当業界に公知の活物質であれば制限なく使用可能である。
一例として、正極活物質は、一般化学式A[A]O2+z(AはLi、Na及びKのうちの少なくとも一つの元素を含む;MはNi、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、V、Zr、Zn、Cu、Al、Mo、Sc、Zr、Ru及びCrから選択された少なくとも一つの元素を含む;x≧0、1≦x+y≦2、-0.1≦z≦2;化学量論係数x、y及びzは化合物が電気的中性を維持するように選択される)で表されるアルカリ金属化合物を含み得る。
他の例として、正極活物質は、米国特許第6,677,082号明細書、米国特許第6,680,143号明細書などに開示されたアルカリ金属化合物xLiM-(1-x)Li(Mは平均酸化状態3を有する少なくとも一つの元素を含む;Mは平均酸化状態4を有する少なくとも一つの元素を含む;0≦x≦1)であり得る。
さらに他の例として、正極活物質は、一般化学式Li Fe1-x 1-y 4-z(MはTi、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg及びAlから選択された少なくとも一つの元素を含む;MはTi、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg、Al、As、Sb、Si、Ge、V及びSから選択された少なくとも一つの元素を含む;MはFを選択的に含むハロゲン族元素を含む;0<a≦2、0≦x≦1、0≦y<1、0≦z<1;化学量論係数a、x、y及びzは化合物が電気的中性を維持するように選択される)、またはLi(PO[MはTi、Si、Mn、Fe、Co、V、Cr、Mo、Ni、Al、Mg及びAlから選択された少なくとも一つの元素を含む]で表されるリチウム金属ホスフェートであり得る。
望ましくは、正極活物質は、1次粒子及び/又は1次粒子が凝集された2次粒子を含み得る。
一例として、負極活物質としては、炭素材、リチウム金属またはリチウム金属化合物、ケイ素またはケイ素化合物、スズまたはスズ化合物などを使用し得る。電位が2V未満であるTiO、SnOのような金属酸化物も負極活物質として使用可能である。炭素材としては、低結晶性炭素、高結晶性炭素などがいずれも使用され得る。
分離膜としては、多孔性高分子フィルム、例えばエチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体、エチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルムを、単独でまたはこれらを積層して使用し得る。他の例として、分離膜は通常の多孔性不織布、例えば高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布を使用し得る。
分離膜の少なくとも一面には、無機物粒子のコーティング層を含み得る。また、分離膜自体が無機物粒子のコーティング層からなってもよい。コーティング層を構成する粒子は、隣接する粒子同士の間にインタースティシャル・ボリューム(interstitial volume)が存在するようにバインダーと結合された構造を有し得る。
無機物粒子は、誘電率が5以上である無機物からなり得る。非制限的な例として、前記無機物粒子は、Pb(Zr,Ti)O(PZT)、Pb1-xLaZr1-yTi(PLZT)、PB(MgNb2/3)O-PbTiO(PMN-PT)、BaTiO、ハフニア(HfO)、SrTiO、TiO、Al、ZrO、SnO、CeO、MgO、CaO、ZnO及びYからなる群より選択された少なくとも一つの物質を含み得る。
電解質は、Aのような構造の塩であり得る。ここで、Aは、Li、Na、Kのようなアルカリ金属陽イオンまたはこれらの組合せからなるイオンを含む。そして、Bは、F、Cl、Br、I、NO 、N(CN) 、BF 、ClO 、AlO 、AlCl 、PF 、SbF 、AsF 、BF 、BC 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF、(CF、CFSO 、CSO 、CFCFSO 、(CFSO、(FSO、CFCF(CFCO、(CFSOCH、(SF、(CFSO、CF(CFSO 、CFCO 、CHCO 、SCN及び(CFCFSOからなる群より選択されたいずれか一つ以上の陰イオンを含む。
また、電解質は、有機溶媒に溶解させて使用し得る。有機溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ-ブチロラクトンまたはこれらの混合物が使用され得る。
図1、図2、図4a及び図7aを参照すると、前記ハウジング20は、その下端に形成された開放部から電極組立体10を収容する。前記ハウジング20は、その下端に開放部が形成され、上端に閉鎖部が形成された略円筒形の収容体であり得る。前記ハウジング20は、金属のような導電性を有する材質からなり得る。前記ハウジング20の材質は、金属、例えば鋼鉄、ステンレス鋼またはアルミニウムであり得る。前記ハウジング20の側面(外周面)と上面とは一体的に形成され得る。前記ハウジング20の上面(X-Y平面に平行な面)は、略扁平(flat)な形態を有し得る。前記ハウジング20は、下端に形成された開放部から電極組立体10とともに電解質も収容する。
前記ハウジング20は、電極組立体10と電気的に接続される。前記ハウジング20は、電極組立体10の第1無地部11と連結される。したがって、前記ハウジング20は、電気的に第1無地部11と同じ極性を有する。
図2及び図4aを参照すると、前記ハウジング20は、その下端に形成されるビーディング部21及びクリンピング部22を備え得る。前記ビーディング部21は、ハウジング20の内部に収容された電極組立体10の下側に備えられる。前記ビーディング部21は、ハウジング20の外周面の周りを押し込んで形成される。前記ビーディング部21は、ハウジング20の内径を部分的に減少させることで、ハウジング20の幅と略対応するサイズを有する電極組立体10がハウジング20の下端に形成された開放部から抜け出ないようにする。前記ビーディング部21は、キャップ40が載置される支持部としても機能する。
前記クリンピング部22は、ビーディング部21の下部に形成される。前記クリンピング部22は、前記ビーディング部21よりも前記開放部側に形成され、前記開放部に向かって延長されてハウジング20の内側に折り曲げられ得る。前記クリンピング部22は、ビーディング部21の下方に配置されるキャップ40の外周面、そしてキャップ40の下面の少なくとも一部を囲むように延長されて折り曲げられた形態を有する。
図2~図4aを参照すると、前記第1集電体30は、電極組立体10の第1無地部11と結合されてハウジング20内に位置する。前記第1集電体30は、電極組立体10の下端面の少なくとも一部を覆う。前記電極組立体10及び第1集電体30を含む結合体は、ハウジング20の下端に形成される開放部からハウジング20内に挿入され得る。前記第1集電体30は、ハウジング20と電気的に接続される。すなわち、前記第1集電体30は、電極組立体10とハウジング20との電気的接続のための媒介体として機能することができる。
図3を参照すると、前記第1集電体30は、例えば支持部31、無地部結合部32、及びハウジング接触部33を含み得る。
前記支持部31は、電極組立体10の下端に形成される一面において略中心部に位置する。前記支持部31には第1集電体孔H1が備えられ得る。この場合、前記第1集電体孔H1は、電極組立体10の巻取中心孔Cと対応する位置に形成され得る。前記第1集電体孔H1は、後述する端子60と第2集電体70とを結合するため溶接棒を挿入するかまたはレーザーを照射する通路として機能することができる。その他にも、前記第1集電体孔H1は、電解液を注液するとき、電極組立体10の内部へと円滑に電解液が含浸されるようにする通路としても機能することができる。
本発明の一実施形態において、前記無地部結合部32は、支持部31から延長されて第1無地部11と結合する。特に、前記無地部結合部32は、前記第1無地部11と溶接によって結合され得る。溶接方法としては、例えば、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接などが挙げられるが、溶接方法がこれらに限定されることはない。前記無地部結合部32は、前記バッテリーハウジング20の上面と平行な状態で前記第1無地部11に溶接結合され得る。前記第1無地部11と前記無地部結合部32とは、前記電極組立体10の半径方向に沿って溶接結合され得る。
一実施形態として、前記無地部結合部32を前記第1無地部11の端部に載置した状態で、一定領域に対して溶接し得る。他の実施形態として、図8のように、第1無地部11の少なくとも一部は、前記電極組立体10の巻取方向に沿って複数の分切片Fを含み得る。前記複数の分切片Fは、前記電極組立体10の半径方向に沿って折り曲げられて折曲面を形成し得る。電極組立体の半径方向とは、コア側または外周側に向かう方向を意味する。例えば、前記複数の分切片Fは、電極組立体10のコア側に向かって折り曲げられ得る。前記複数の分切片Fは、前記電極組立体10の半径方向に沿って多重に重なり得る。前記折曲面は、前記電極組立体10の外周側からコア側に向かって分切片Fの重畳層の数が最大値まで順次に増加する積層数増加区間、及び重畳層の数が最大値になった半径地点から最内側分切片が存在する半径地点までの積層数均一区間を含み得る。
この場合、前記無地部結合部32が前記第1無地部11の折曲面に載置された状態で、一定領域に対する溶接が行われ得る。すなわち、前記無地部結合部32は、複数の分切片Fが多重に重なっている領域に結合され得る。例えば、前記無地部結合部32は、積層数均一区間に重なるように前記折曲面に結合され得る。例えば、前記無地部結合部32と前記第1無地部11との溶接は、第1無地部11の折曲面において第1無地部11の重畳層の数が10枚以上の領域で行われ得る。重畳層の数が10枚以上である区間の半径方向の比率は、第1無地部11の長さを調節することで、コアを除いた電極組立体の半径を基準にして25%以上に設計され得る。
本発明の他の実施形態において、前記第1無地部11と前記無地部結合部32との間の溶接領域には、溶接ビードが形成され得る。溶接ビードとは、特定地点に点溶接を行ったときに形成される略円形の溶接部を意味する。複数の溶接ビードが連結されれば、特定の溶接パターンを形成し得る。例えば、図4a及び図4bを参照すると、複数の溶接ビードが集まって略直線状の溶接部BDを形成し得る。一実施形態において、前記第1無地部11と前記無地部結合部32との間に形成される溶接部BDは、前記電極組立体10の半径方向に沿って延在された溶接パターンを形成し得る。より望ましくは、前記第1無地部11と前記無地部結合部32との間に形成される溶接部BDは、前記電極組立体10の半径方向に沿って延在された直線状の溶接パターンを形成し得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記無地部結合部32は、例えば複数個備えられ得る。この場合、複数の無地部結合部32のそれぞれは、支持部31から放射状に延びた形態を有し得る。前記無地部結合部32はストリップ状であり得る。変形例において、前記無地部結合部32のサイドはラウンド形状に変形され得る。
前記ハウジング接触部33は、図3に示されたように支持部31から延長されるか、または、図3の図示と異なって無地部結合部32の端部から延長され得る。これにより、前記ハウジング接触部33は、前記ハウジング20と電気的に接続され得る。具体的には、前記ハウジング接触部33の端部は、後述するシーリングガスケット100とハウジング20との間に介在されてハウジング20と接触し、これによってハウジング20と第1集電体30との電気的接続が行われ得る。前記ハウジング接触部33の端部は、例えばキャップ40と対面するビーディング部21の一面に接触し得る。
さらに、前記ハウジング接触部33は、前記クリンピング部22によって圧着固定され得る。例えば、図4aを参照すると、ビーディング部21の下面に第1集電体30のハウジング接触部33が位置し得る。前記ハウジング接触部33の下面には、シーリングガスケット100によって端部が覆い包まれたキャップ40が位置し得る。その後、前記キャップ40の周縁を包むように、前記ハウジング20を折り曲げて前記キャップ40及び第1集電体30を固定する。このように折り畳まれたクリンピング部22の形状によってキャップ40及び第1集電体30がビーディング部21上に固定される。
また、前記ハウジング20のビーディング部21と前記第1集電体30のハウジング接触部33との間に溶接部が形成されてもよい。例えば、クリンピング力だけではハウジング接触部33が確実に固定されないこともある。さらに、シーリングガスケット100が熱によって収縮されるかまたはクリンピング部22が外部からの衝撃を受けて変形される場合、第1集電体30とハウジング20との結合力が低下する可能性がある。したがって、ハウジング接触部33が前記ハウジング20のビーディング部21に位置した状態で溶接を通じて前記第1集電体30をハウジング20に固定可能である。このとき、前記ハウジング接触部33は、ハウジング20の内側面のうち、ビーディング部21に結合され得る。図4aのように、ビーディング部21の下面がハウジング20の上面に略平行な方向、すなわちハウジング20の側壁に略垂直な方向に沿って延びた形態を有し、ハウジング接触部33も同じ方向に沿って延びた形態にすることで、ハウジング接触部33がビーディング部21上に安定的に接触可能である。また、このように前記ハウジング接触部33がビーディング部21に安定的に接触することで、両部品の溶接が円滑に行われ、これによって部品同士の間の結合力が向上し、また結合部位における抵抗増加を最小化する効果を奏することができる。
また、このように第1集電体30がハウジング20の円筒部の内側面ではなく、ハウジング20のビーディング部21に結合される構造によって、第1集電体30とビーディング部21との間の距離が減少し得る。したがって、ハウジング20内部のデッドスペースが最小化してバッテリー1のエネルギー密度が向上できる。
本発明の他の実施形態において、前記ビーディング部21と前記ハウジング接触部33との間に形成される溶接部は、円周方向に沿って延びる直線状の溶接パターンを形成し得る。または、前記ビーディング部21と前記ハウジング接触部33との間に形成される溶接部は、円周方向に沿って延びる弧形状の溶接パターンを形成してもよい。
本発明のさらに他の実施形態において、前記ハウジング接触部33は、例えば複数個備えられ得る。この場合、複数のハウジング接触部33は、図3に示されたように、支持部31から放射状に延びた形態を有し得、隣接する無地部結合部32同士の間に少なくとも一つのハウジング接触部33が位置し得る。または、前記複数のハウジング接触部33は、図3の図示と異なって、複数の無地部結合部32それぞれの端部から延びた形態であってもよい。
図2、図4a及び図6を参照すると、前記キャップ40は、ハウジング20に形成された開放部を覆う。前記キャップ40は、剛性確保のため、例えば金属材質からなり得る。前記キャップ40は、バッテリー1の下面を構成する。本発明のバッテリー1において、キャップ40は、伝導性を有する金属材質である場合にも、極性を持たなくてもよい。極性を持たないとは、前記キャップ40がハウジング20及び端子60と電気的に絶縁していることを意味する。したがって、前記キャップ40は、正極端子または負極端子として機能しない。したがって、前記キャップ40は、電極組立体10及びハウジング20と電気的に接続される必要がなく、その材質が必ずしも伝導性金属である必要もない。
本発明のハウジング20がビーディング部21を備える場合、前記キャップ40は、ハウジング20に形成されたビーディング部21上に載置され得る。また、本発明のハウジング20がクリンピング部22を備える場合、前記キャップ40は、クリンピング部22によって固定される。前記キャップ40とハウジング20のクリンピング部22との間には、ハウジング20の気密性を確保するため、シーリングガスケット100が介在される。
図4a及び図6を参照すると、前記キャップ40は、ハウジング20の内部で発生したガスによって内圧が既に設定された値を超えて増加することを防止するためベンティング部41をさらに備え得る。前記ベンティング部41は、キャップ40において周辺領域と比べてより薄い厚さを有する領域に該当する。前記ベンティング部41は、周辺領域と比べて構造的に脆弱である。したがって、前記バッテリー1に異常が発生してハウジング20の内圧が一定水準以上に増加すれば、ベンティング部41が破断してハウジング20の内部に発生したガスが排出され得る。前記ベンティング部41は、例えばキャップ40の一面上にまたは両面上にノッチング(notching)して部分的にハウジング20の厚さを減らすことで形成し得る。すなわち、前記ベンティング部41は、前記キャップ40の両面の少なくとも一面上に形成されたノッチング部であり得る。
図4aに示されたように、前記キャップ40の下端部はハウジング20の下端部よりも上方に位置することが望ましい。このような構造によれば、前記ハウジング20の下端部が地面に接するかまたはモジュールやパック構成のためのハウジングの底面に接しても、キャップ40は地面またはハウジングの底面に接しない。したがって、バッテリー1の重量によってベンティング部41の破断に要求される圧力が設計値から変わる現象を防止でき、これによってベンティング部41の破断円滑性を確保できる。
一方、前記ベンティング部41は、図6に示されたように閉ループ形態を有し得る。望ましくは、前記ベンティング部41は、円形であり得る。このとき、特に破断容易性の面でキャップ40の中心部からベンティング部41までの距離が遠いほど有利である。これは、同じベンティング圧力が作用するとき、前記キャップ40の中心部からベンティング部41までの距離が遠くなるほど、ベンティング部41に作用する力が大きくなって破断が容易になるためである。また、ベンティングガスの排出円滑性の面でもキャップ40の中心部とベンティング部41との間の距離が遠いほど有利である。例えば、前記ベンティング部41は、前記キャップ40の中心と前記キャップ40の端とを繋ぐ直線の中間よりも端側に位置し得る。このような観点からみて、前記ベンティング部41は、キャップ40の周縁領域から下方(図4aを基準にして下方)に突出した略扁平な領域の周縁に沿って形成されることが有利である。
本発明の図6には、前記ベンティング部41が略円を描きながら連続的に形成されている場合が示されているが、これによって本発明が限定されることはない。前記ベンティング部41は、キャップ40上に略円を描きながら不連続的に形成されてもよく、略直線形態またはその他の形態で形成されてもよい。
図2、図4a及び図5を参照すると、前記スペーサ50は、電極組立体10の移動を防止するように構成される。すなわち、前記スペーサ50は、電極組立体10を固定するようにキャップ40と電極組立体10との間に配置される。より具体的には、前記スペーサ50は電極組立体10の上下方向の位置を固定することができる。
本発明の一実施形態において、前記スペーサ50の上面は、第1集電体30の下面と接触し、スペーサ50の下面はキャップ40の内側面と接触し得る。すなわち、前記スペーサ50は、第1集電体30とキャップ40との間に介在される。前記スペーサ50は、第1集電体30とキャップ40との間の距離に対応する高さを有し得る。この場合、前記スペーサ50は、第1集電体30とキャップ40との間に形成されるギャップによって電極組立体10がハウジング20内で動くことを効果的に防止することができる。例えば、スペーサ50が、第1集電体30とキャップ40との間に形成される空間を少なくとも一部埋めることで、バッテリー1が上下に振動しても、電極組立体10が上下に振動することを防止することができる。これにより、第1無地部11及び/又は第2無地部12が不要に曲げ伸ばしする現象を防止できる。したがって、前記スペーサ50は、電極組立体10と第1集電体30との結合部位及び/又は第1集電体30とハウジング20との結合部位に損傷が発生することを防止することができる。最終的に、前記スペーサ50は、バッテリー1の内部短絡を防止することができる。
本発明の他の実施形態において、前記スペーサ50は、電極組立体10の下端面において略中心部に位置し得る。
図5は、本発明の他の実施形態によるスペーサが適用された領域を示した部分断面図である。図5を参照すると、前記スペーサ50は、電極組立体10の巻取中心孔Cと対応する位置に形成されるスペーサ孔H2を備え得る。前記スペーサ孔H2は、上述した第1集電体孔H1と同様に、溶接棒の挿入通路またはレーザー照射のための通路として機能することができる。このとき、電極組立体10の巻取中心孔C、第1集電体孔H1及びスペーサ孔H2は同一直線上に位置し得る。このような構造によれば、前記スペーサ孔H2は、上述した第1集電体孔H1と同様に、電解液を注液するとき、電極組立体10の内部へと円滑に電解液が含浸されるようにする通路としても機能することができる。
本発明の一実施形態において、前記スペーサ50は、第1集電体30の支持部31がスペーサ50の外側に露出しないように前記支持部31を覆い得る。例えば、図4a及び図4bを参照すると、前記第1集電体30と対向する前記スペーサ50の上端部の外径は前記支持部31の外径と略同じであるかまたはより大きく形成され得る。この場合、前記スペーサ50は、第1集電体30を効果的に押し付けることができる。
本発明の他の実施形態において、前記スペーサ50は、第1集電体30の無地部結合部32と第1無地部11とが溶接されて形成される溶接部BDの少なくとも一部を覆うように構成され得る。例えば、図4a及び図4bを参照すると、前記第1集電体30と対向する前記スペーサ50の上端部の半径は電極組立体10のコアに最も近く位置する溶接部BDから電極組立体10のコアまでの距離よりも大きく形成され得る。前記スペーサ50と溶接部BDとが重なる領域の半径方向の幅は、溶接部BDの全体半径方向の幅の少なくとも5%以上、望ましく10%以上、より望ましくは20%以上であり得る。この場合、前記スペーサ50は、例えばクリンピング工程やサイジング工程などを行う過程で第1集電体30と第1無地部11との溶接部位が破損される現象を効果的に防止することができる。
本発明のさらに他の実施形態において、前記スペーサ50は、キャップ40に形成されたベンティング部41を覆わないように、ベンティング部41よりもコア方向に内側に位置し得る。例えば、図4a及び図4cを参照すると、前記キャップ40と対向する前記スペーサ50の下端部の半径は、キャップ40の中心からベンティング部41までの距離よりも小さく形成され得る。これは、前記スペーサ50によってベンティング部41が覆われてベンティング部41の破断圧力が設計値と変わることを防止するためである。
本発明のさらに他の実施形態において、前記スペーサ50は略円筒状であり得る。例えば図2の断面図において、前記スペーサ50は円筒が半分に切断された形態であることが確認できる。しかし、スペーサ50の形状がこれに限定されることはない。例えば、前記スペーサ50は、多角柱の形態を有してもよい。この場合、前記スペーサ50の中心から前記スペーサ50の多角形の頂点までの距離が、前記支持部31の半径と略同じであるかまたはより大きく形成され得る。他の形態において、前記スペーサ50の中心から前記スペーサ50の多角形の頂点までの距離が、前記電極組立体10のコアに最も近く位置する溶接部から電極組立体10のコアまでの距離よりも大きく形成され得る。さらに他の形態において、前記スペーサ50の中心から前記スペーサ50の多角形の頂点までの距離が、キャップ40の中心からベンティング部41までの距離よりも小さく形成され得る。
または、前記スペーサ50は、一定高さを有し、横断面が閉曲線を有する柱の形態であってもよい。この場合、前記スペーサ50の中心から最も遠い地点までの距離が、前記支持部31の半径と略同じであるかまたはより大きく形成され得る。他の形態において、前記スペーサ50の中心から最も遠い地点までの距離が、前記電極組立体10のコアに最も近く位置する溶接部から電極組立体10のコアまでの距離よりも大きく形成され得る。さらに他の形態において、前記スペーサ50の中心から最も遠い地点までの距離が、キャップ40の中心からベンティング部41までの距離よりも小さく形成され得る。
一方、前記スペーサ50は、弾性を有する材質から構成され得る。例えば、前記スペーサ50は、絶縁ポリマー材質を含み得る。したがって、バッテリー1に振動及び外部衝撃が加えられる場合、前記スペーサ50は、弾性によって圧縮されてから再び元の状態に復帰する過程で衝撃を吸収することができる。これにより、バッテリー1に振動及び外部衝撃が加えられても、バッテリー1の内部構成要素の損傷が最小化できる。
図1、図2及び図7aを参照すると、前記端子60は、電極組立体10の第2無地部12と電気的に接続される。前記端子60は、前記ハウジング20の開放部の反対側に備えられて前記第2電極と電気的に接続され得る。具体的には、前記端子60は、例えばハウジング20の上端に形成された閉鎖部の略中心部を貫通し得る。前記端子60の一部はハウジング20の上部に露出し、残りの一部はハウジング20の内部に位置し得る。前記端子60は、例えばリベッティング(riveting)によってハウジング20の閉鎖部の内側面に固定され得る。すなわち、カシメ(caulking)治具を用いて前記端子60の下端部を塑性変形させ、下端部がハウジング20の閉鎖部の内側面に向かって折り曲げられてリベッティングされ得る。
上述したように、本発明において、ハウジング20は電極組立体10の第1無地部11と電気的に接続されるため、ハウジング20の上端に形成された閉鎖部は第1極性を有する第1電極端子20aとして機能することができる。一方、前記端子60は、電極組立体10の第2無地部12と電気的に接続されるため、ハウジング20の外側に露出した端子60は第2電極端子として機能することができる。
すなわち、本発明のバッテリー1は、一対の電極端子60、20aが同一方向に位置する構造を有する。したがって、複数のバッテリー1を電気的に接続する場合において、バスバーなどの電気的接続部品をバッテリー1の一側のみに配置することが可能である。これは、バッテリーパック構造の単純化及びエネルギー密度の向上をもたらすことができる。また、前記バッテリー1は、略扁平な形態を有するハウジング20の一面を第1電極端子20aとして利用可能な構造を有することで、バスバーなどの電気的接続部品を第1電極端子20aに接合する際に十分な接合面積を確保することができる。これにより、前記バッテリー1は、電気的接続部品と第1電極端子20aとの間の十分な接合強度を確保でき、接合部位における抵抗を望ましい水準に下げることができる。
上述したように、前記端子60が第2電極端子として機能する場合、端子60は第1極性を有するハウジング20とは電気的に絶縁される。前記ハウジング20と端子60との間の電気的絶縁は多様な方式で実現される。例えば、前記端子60とハウジング20との間に絶縁ガスケットGを介在させることで絶縁を実現し得る。これと異なり、前記端子60の一部に絶縁性コーティング層を形成させることで絶縁を実現してもよい。または、前記端子60とハウジング20とが接触できないように相互を離隔した状態で配置するが、端子60を構造的に堅固に固定する方式を適用してもよい。または、上述した方式のうちの複数の方式を一緒に適用してもよい。
一方、電気的絶縁のために絶縁ガスケットGを適用し、端子60の固定のためにリベッティングが適用される場合、絶縁ガスケットGは端子60のリベッティング時に一緒に圧縮変形されてハウジング20の上端閉鎖部の内側面に向かって折り曲げられ得る。前記絶縁ガスケットGが樹脂材質からなる場合、絶縁ガスケットGは熱融着によって前記ハウジング20及び端子60と結合され得る。この場合、絶縁ガスケットGと端子60との結合界面及び絶縁ガスケットGとハウジング20との結合界面における気密性が強化される。
図2及び図7aを参照すると、前記第2集電体70は、電極組立体10の上部に結合される。前記第2集電体70は、導電性を有する金属材質からなり、第2無地部12と結合される。前記第2無地部12と第2集電体70との結合は例えばレーザー溶接によって行われ得る。
図2及び図7aを参照すると、前記絶縁体80は、ハウジング20の上端に形成された閉鎖部と電極組立体10の上端との間または前記閉鎖部と第2集電体70との間に介在される。前記絶縁体80は、例えば絶縁性を有する樹脂材質からなり得る。前記絶縁体80は、電極組立体10とハウジング20との間の接触及び/又は電極組立体10と第2集電体70との間の接触を防止する。
前記絶縁体80は、その他にも電極組立体10の外周面の上端とハウジング20の内側面との間にも介在され得る。この場合、前記電極組立体10の第2無地部12がハウジング20の側壁部の内側面と接触して短絡が発生することを防止することができる。
前記絶縁体80は、ハウジング20の上端に形成された閉鎖部と電極組立体10との間の距離または前記閉鎖部と第2集電体70との間の距離に対応する高さを有し得る。この場合、前記電極組立体10がハウジング20の内部で動くことを防止できることで、部品間の電気的接続のための結合部位が破損される危険性を著しく低減可能である。前記絶縁体80が、上述したスペーサ50とともに適用される場合、電極組立体10の移動防止効果が極大化される。
本発明の一実施形態において、前記絶縁体80は弾性を有する材質から構成され得る。例えば、前記絶縁体80は、絶縁ポリマー材質を含み得る。したがって、バッテリー1に振動及び外部衝撃が加えられる場合、前記絶縁体80は、弾性によって圧縮されてから再び元の状態に復帰する過程で衝撃を吸収することができる。これにより、バッテリー1に振動及び外部衝撃が加えられても、バッテリー1の内部構成要素の損傷が最小化できる。
本発明の他の実施形態において、前記絶縁体80は、電極組立体10の巻取中心孔Cと対応する位置に形成される開口を備え得る。前記開口を通じて端子60は第2集電体70と直接接触し得る。
さらに、前記端子60の下端面は、前記第2集電体70の上端面と接触した状態で前記第2集電体70と溶接によって結合され得る。特に、前記端子60は、前記第2集電体70の中心部に溶接結合され得る。例えば、図7bを参照すると、前記端子60と前記第2集電体70との溶接は、巻取中心孔C1及び第1集電体孔H1を通って挿入された溶接棒またはレーザー溶接ビームによって行われ得る。溶接方法としては、例えば、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接などが挙げられるが、溶接方法がこれらに限定されることはない。
図7bを参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリー1は、サイドカバー90をさらに含み得る。サイドカバー90は前記電極組立体10の外周面の少なくとも一部を覆い得る。サイドカバー90は前記ハウジング20の少なくとも一部と接触し得る。例えば、サイドカバー90は前記ハウジング20の内周面と接触し得る。望ましくは、前記サイドカバー90は、前記電極組立体10の外周縁に沿って、前記電極組立体10の外周面の少なくとも一部を覆い得る。すなわち、前記サイドカバー90は、前記電極組立体10の外周面と前記ハウジング20の内周面との間に位置し得る。このとき、前記サイドカバー90は、前記電極組立体10の外周面と前記ハウジング20の内周面との間の距離に対応する厚さを有し得る。例えば、図7bを参照して説明すると、前記サイドカバー90の厚さは、前記電極組立体10の外周面と前記ハウジング20の内周面との間の距離と略同一である。
このようなサイドカバー90の構造的特徴によれば、前記電極組立体10の外周面と前記ハウジング20の内周面との間の空間を確実に埋めることができる。これにより、バッテリー1に振動及び外部衝撃が加えられても、ハウジング20内での電極組立体10の動きを最小化して電気的接続部位に損傷が発生することを防止することができる。すなわち、前記サイドカバー90は、バッテリー1の左右方向の振動に対する耐振動性を向上させることができる。
一方、本発明の他の実施形態において、図示されていないが、前記サイドカバー90はその端部が前記絶縁体80の折り曲げられた端部と接するように形成されてもよい。さらに、前記サイドカバー90は、前記絶縁体80の折り曲げられた端部と一体的に形成されてもよい。すなわち、前記サイドカバー90は、前記絶縁体80と連結されて一体に形成され得る。このような構造によれば、前記電極組立体10の外周面と前記ハウジング20の内周面との間の空いた空間がさらに減少し、耐振動性がさらに向上する。
一方、前記サイドカバー90は、弾性を有する材質から構成され得る。例えば前記サイドカバー90は、絶縁ポリマー材質を含み得る。したがって、バッテリー1に振動及び外部衝撃が加えられる場合、前記サイドカバー90は、弾性によって圧縮されてから再び元の状態に復帰する過程で衝撃を吸収することができる。これにより、バッテリー1に振動及び外部衝撃が加えられても、バッテリー1の内部構成要素の損傷が最小化できる。
図4a及び図5を参照すると、前記シーリングガスケット100は、前記ハウジング20と前記キャップ40との間に介在されて前記ハウジング20と前記キャップ40との間の気密性を維持するように構成され得る。具体的には、前記シーリングガスケット100は、前記キャップ40を覆い包む略リング状であり得る。前記シーリングガスケット100は、キャップ40の下面、上面及び側面を同時に覆い得る。シーリングガスケット100のうちのキャップ40の上面を覆う部位の半径方向の長さは、シーリングガスケット100のうちの前記キャップ40の下面を覆う部位の半径方向の長さよりも短いかまたは同じであり得る。シーリングガスケット100のうちのキャップ40の上面を覆う部位の半径方向の長さが長過ぎると、ハウジング20を上下に圧縮するサイジング工程でシーリングガスケット100が第1集電体30を押し付けて、第1集電体30が損傷されるかまたはハウジング20が損傷されるおそれがある。したがって、シーリングガスケット100の部位において、キャップ40の上面を覆う部位の半径方向の長さを一定水準に小さく維持する必要がある。
上述した本発明のバッテリー1は、折曲面を通じた溶接面積の拡大、第1集電体30を用いた電流経路(path)の多重化、電流経路長さの最小化などを通じて抵抗が最小化された構造を有する。正極と負極との間、端子60とその周辺の扁平な外部面(第1電極端子20aとの間で抵抗測定器によって測定されるバッテリー1のAC抵抗は、急速充電に適した約0.5mΩ~4mΩ、望ましくは約1mΩ~4mΩであり得る。
望ましくは、バッテリーは、例えばフォームファクタ(form factor)の比(バッテリーの直径を高さで除した値、すなわち高さ(H)対比直径(Φ)の比で定義される)が約0.4よりも大きいバッテリーであり得る。ここで、フォームファクタとは、バッテリーの直径及び高さを示す値を意味する。
望ましくは、バッテリーの直径は約40mm~50mmであり得、高さは約60mm~130mmであり得る。本発明の一実施形態によるバッテリーは、例えば46110バッテリー、4875バッテリー、48110バッテリー、4880バッテリー、4680バッテリーであり得る。フォームファクタを示す数値において、前方の二桁はバッテリーの直径を示し、残りの数値はバッテリーの高さを示す。
フォームファクタの比が0.4を超過するバッテリーにタブレス(tab-less)構造の電極組立体を適用する場合、無地部の折り曲げ時に半径方向に加えられる応力が大きく、無地部が破れ易い。また、無地部の折曲表面領域に集電体を溶接するとき、溶接強度を十分に確保して抵抗を下げるためには、折曲表面領域での無地部の積層数を十分に増加させなければならない。このような要求条件は、本発明の実施形態(変形例)による電極と電極組立体によって達成できる。
本発明の一実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、直径が約46mmであり、高さが約110mmであり、フォームファクタの比が約0.418であるバッテリーであり得る。
他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、直径が約48mmであり、高さが約75mmであり、フォームファクタの比が約0.640であるバッテリーであり得る。
さらに他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、直径が約48mmであり、高さが約110mmであり、フォームファクタの比が約0.436であるバッテリーであり得る。
さらに他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、直径が約48mmであり、高さが約80mmであり、フォームファクタの比が約0.600であるバッテリーであり得る。
さらに他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、直径が約46mmであり、高さが約80mmであり、フォームファクタの比が約0.575であるバッテリーであり得る。
従来、フォームファクタの比が約0.4以下のバッテリーが用いられている。すなわち、従来は、例えば1865バッテリー、2170バッテリーなどが用いられている。1865バッテリーの場合、直径が約18mmであり、高さが約65mmであり、フォームファクタの比が約0.277である。2170バッテリーの場合、直径が約21mmであり、高さが約70mmであり、フォームファクタの比が約0.300である。
図9を参照すると、複数のバッテリー1は、バスバー150を用いてバッテリー1の上部において直列及び並列に連結され得る。バッテリー1の個数はバッテリーパックの容量を考慮して増減可能である。
各バッテリー1において、端子60は正の極性を有し、ハウジング20の閉鎖部の外部面(第1電極端子20aは負の極性を有し得る。勿論、その反対も可能である。
望ましくは、複数のバッテリー1は複数の列と行で配置され得る。列は図面において上下方向であり、行は図面において左右方向である。また、空間効率性を最大化するため、バッテリー1は最密パッキング構造(closest packing structure)で配置され得る。最密パッキング構造は、ハウジング20の外部に露出した端子60の中心同士を連結したとき、正三角形が描かれる場合に形成される。望ましくは、バスバー150は、複数のバッテリー1の上部、より望ましくは隣接する熱同士の間に配置され得る。代案的には、バスバー150は隣接する行同士の間に配置され得る。
望ましくは、バスバー150は、同一列に配置されたバッテリー1を互いに並列に連結し、隣接する二つの列に配置されたバッテリー1同士を直列に連結する。
望ましくは、バスバー150は、直列及び並列連結のため、ボディ部151、複数の第1バスバー端子152、及び複数の第2バスバー端子153を含み得る。
前記ボディ部151は、隣接するバッテリー1の端子60同士の間で、望ましくはバッテリー1の列同士の間で延長され得る。代案的には、前記ボディ部151は、バッテリー1の列に沿って延びるが、ジグザグ状のように規則的に折り曲げられてもよい。
複数の第1バスバー端子152は、ボディ部151の一側から各バッテリー1の端子60に向かって突出して延び、端子60に電気的に結合され得る。第1バスバー端子152と端子60との間の電気的結合は、レーザー溶接、超音波溶接などで行われ得る。また、複数の第2バスバー端子153は、ボディ部151の他側から各バッテリー1の外部面(第1電極端子20aに電気的に結合され得る。前記第2バスバー端子153と外部面(第1電極端子20aとの間の電気的結合は、レーザー溶接、超音波溶接などで行われ得る。
望ましくは、前記ボディ部151、複数の第1バスバー端子152、及び複数の第2バスバー端子153は、一つの導電性金属板から構成され得る。金属板は、例えばアルミニウム板または銅板であり得るが、本発明がこれに限定されることはない。変形例として、前記ボディ部151、複数の第1バスバー端子152、及び第2バスバー端子153を別個のピース単位で製作した後、それぞれを溶接などによって結合してもよい。
本発明によるバッテリー1は、正の極性を有する端子60と負の極性を有するハウジング20の閉鎖部の外部面(第1電極端子20aとが同じ方向に位置しているため、バスバー150を用いてバッテリー1同士の電気的接続を容易に具現することができる。
また、バッテリー1の端子60及びハウジング20の閉鎖部の外部面(第1電極端子20aは面積が広いため、バスバー150の結合面積を十分に確保してバッテリー1を含むバッテリーパックの抵抗を十分に下げることができる。
図10を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーパック3は、上述した本発明の一態様による複数のバッテリー1が電気的に接続されたバッテリー集合体、及びそれを収容するパックハウジング2を含む。バスバーを通じた複数のバッテリー1の電気的接続構造については図9を参照して例示的に上述した通りであり、その他の冷却ユニット、電力端子などの部品は便宜上図示を省略した。
図11を参照すると、本発明の一実施形態による自動車5は、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車であり得、本発明の一実施形態によるバッテリーパック3を含む。前記自動車5は、四輪自動車及び二輪自動車を含む。前記自動車5は、本発明の一実施形態によるバッテリーパック3から電力の供給を受けて動作する。
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
5:自動車
3:バッテリーパック
2:パックハウジング
1:バッテリー
10:電極組立体
11:第1無地部
12:第2無地部
C:巻取中心孔
20:ハウジング
20a:第1電極端子
21:ビーディング部
22:クリンピング部
30:第1集電体
31:支持部
32:無地部結合部
33:ハウジング接触部
H1:第1集電体孔
BD:溶接部
40:キャップ
41:ベンティング部
50:スペーサ
H2:スペーサ孔
60:端子
G:絶縁ガスケット
70:第2集電体
80:絶縁体
90:サイドカバー
100:シーリングガスケット
150:バスバー
151:ボディ部
152:第1バスバー端子
153:第2バスバー端子

Claims (32)

  1. 第1電極と第2電極とこれらの間に介在された分離膜とが巻取軸を中心に巻き取られることでコア及び外周面を定義した電極組立体であって、前記第1電極は巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第1無地部を含む電極組立体と、
    下端に形成された開放部を通って前記電極組立体を収容するハウジングと、
    前記第1無地部と結合されて前記ハウジング内に位置する第1集電体と、
    前記開放部を覆うキャップであって、前記ハウジング内に発生したガスを排出するためのベンティング部を備えるキャップと、
    前記第1集電体と前記キャップとの間に介在され、前記第1集電体と前記キャップとの間の距離に対応する高さを有するスペーサと、を含み、
    前記スペーサは、
    前記第1集電体の一面において中心部に位置し、
    前記キャップに形成された前記ベンティング部を覆わないように、前記ベンティング部よりもコア方向の内側に位置している、バッテリー。
  2. 前記スペーサは、前記キャップと接触する、請求項1に記載のバッテリー。
  3. 第1電極と第2電極とこれらの間に介在された分離膜とが巻取軸を中心に巻き取られることでコア及び外周面を定義した電極組立体であって、前記第1電極は巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第1無地部を含む電極組立体と、
    下端に形成された開放部を通って前記電極組立体を収容するハウジングと、
    前記第1無地部と結合されて前記ハウジング内に位置する第1集電体と、
    前記開放部を覆うキャップと、
    前記第1集電体と前記キャップとの間に介在され、前記第1集電体と前記キャップとの間の距離に対応する高さを有するスペーサと、を含み、
    前記第1集電体は、
    前記電極組立体の一面において中心部に位置する支持部と、
    前記支持部から延長されて前記第1無地部と結合される無地部結合部と、
    前記支持部から延長されるかまたは前記無地部結合部の端部から延長されて前記ハウジングと電気的に接続されるハウジング接触部と、を含む、バッテリー。
  4. 前記スペーサは、
    前記第1集電体の前記支持部が前記スペーサの外側に露出しないように前記支持部を覆っている、請求項3に記載のバッテリー。
  5. 前記第1集電体に対向する前記スペーサの上端部の外径は、
    前記支持部の外径と同一であるかまたは大きい、請求項3または4に記載のバッテリー。
  6. 前記スペーサは、
    前記第1集電体の前記無地部結合部と前記第1無地部とが溶接されて形成される溶接部の少なくとも一部を覆っている、請求項3から5のいずれか一項に記載のバッテリー。
  7. 前記第1集電体に対向する前記スペーサの上端部の半径は、
    前記電極組立体のコアに最も近く位置する溶接部から前記電極組立体のコアまでの距離よりも大きく形成されている、請求項6に記載のバッテリー。
  8. 第1電極と第2電極とこれらの間に介在された分離膜とが巻取軸を中心に巻き取られることでコア及び外周面を定義した電極組立体であって、前記第1電極は巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第1無地部を含む電極組立体と、
    下端に形成された開放部を通って前記電極組立体を収容するハウジングと、
    前記第1無地部と結合されて前記ハウジング内に位置する第1集電体と、
    前記開放部を覆うキャップと、
    前記第1集電体と前記キャップとの間に介在され、前記第1集電体と前記キャップとの間の距離に対応する高さを有するスペーサと、を含み、
    前記キャップは、
    周辺領域と比べてより薄い厚さを有するベンティング部を備え、
    前記ベンティング部は、
    前記キャップの中心と前記キャップの端とを繋ぐ直線の中間よりも端側に位置している、バッテリー。
  9. 前記ベンティング部は、
    前記ハウジングの内圧が一定水準以上に増加すると破断するように構成されている、請求項8に記載のバッテリー。
  10. 前記ベンティング部は、
    前記キャップの両面の少なくとも一面上に形成されたノッチング部である、請求項8または9に記載のバッテリー。
  11. 前記ベンティング部は、
    閉ループを形成している、請求項8から10のいずれか一項に記載のバッテリー。
  12. 前記ベンティング部は、
    円形である、請求項8から11のいずれか一項に記載のバッテリー。
  13. 前記ベンティング部は、
    前記キャップの周縁領域から下方に突出した扁平な領域の周縁に沿って形成されている、請求項8から12のいずれか一項に記載のバッテリー。
  14. 前記スペーサは、
    前記キャップに形成された前記ベンティング部を覆わないように、前記ベンティング部よりもコア方向に内側に位置している、請求項8から13のいずれか一項に記載のバッテリー。
  15. 前記キャップと対向する前記スペーサの下端部の半径は、
    前記キャップの中心から前記ベンティング部までの距離よりも小さく形成されている、請求項8から14のいずれか一項に記載のバッテリー。
  16. 前記スペーサは、
    前記電極組立体の巻取中心孔と対応する位置に形成されるスペーサ孔を備える、請求項1から15のいずれか一項に記載のバッテリー。
  17. 前記支持部は、
    前記電極組立体の巻取中心孔に対応する位置に形成される第1集電体孔を備える、請求項3から7のいずれか一項に記載のバッテリー。
  18. 第1電極と第2電極とこれらの間に介在された分離膜とが巻取軸を中心に巻き取られることでコア及び外周面を定義した電極組立体であって、前記第1電極は巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第1無地部を含む電極組立体と、
    下端に形成された開放部を通って前記電極組立体を収容するハウジングと、
    前記第1無地部と結合されて前記ハウジング内に位置する第1集電体と、
    前記開放部を覆うキャップであって、前記ハウジング内に発生したガスを排出するためのベンティング部を備えるキャップと、
    前記第1集電体と前記キャップとの間に介在され、前記第1集電体と前記キャップとの間の距離に対応する高さを有するスペーサと、を含み、
    前記スペーサは、
    前記第1集電体の一面において中心部に位置し、
    前記キャップに形成された前記ベンティング部を覆わないように、前記ベンティング部よりもコア方向の内側に位置し、
    前記電極組立体の外周面の少なくとも一部を覆い、前記ハウジングの内周面と接触するサイドカバーをさらに含み、
    前記サイドカバーは、
    前記電極組立体の外周面と前記ハウジングの内周面との間の距離に対応する厚さを有する、バッテリー。
  19. 前記サイドカバーは、
    前記電極組立体の外周縁に沿って、前記電極組立体の外周面の少なくとも一部を覆っている、請求項18に記載のバッテリー。
  20. 前記ハウジングは、
    外周面の周りが押し込まれて形成されたビーディング部と、
    前記ビーディング部の下方において前記開放部を定義する終端が前記キャップの周縁を包むように延長され折り曲げられたクリンピング部と、を含む、請求項3から7および17のいずれか一項に記載のバッテリー。
  21. 前記ハウジング接触部は、
    前記キャップと対面する前記ビーディング部の一面に接触している、請求項20に記載のバッテリー。
  22. 前記第2電極は、
    巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第2無地部を含む、請求項1から21のいずれか一項に記載のバッテリー。
  23. 前記バッテリーは、
    前記第2無地部と結合される第2集電体と、
    前記ハウジングの上端に形成された閉鎖部と前記第2集電体との間に介在される絶縁体と、をさらに含む、請求項22に記載のバッテリー。
  24. 前記絶縁体は、
    前記第2集電体と前記閉鎖部との間の距離に対応する高さを有する、請求項23に記載のバッテリー。
  25. 前記スペーサは、
    弾性を有する材質から構成される、請求項1から24のいずれか一項に記載のバッテリー。
  26. 正極と負極との間で測定された抵抗が4mΩ以下である、請求項1から25のいずれか一項に記載のバッテリー。
  27. 前記バッテリーの直径を高さで除したフォームファクタの比が0.4よりも大きい、請求項1から26のいずれか一項に記載のバッテリー。
  28. 請求項1から27のいずれか一項に記載のバッテリーを複数個含む、バッテリーパック。
  29. 前記バッテリーは、
    前記開放部の反対側に備えられて前記第2電極と電気的に接続される端子をさらに含む、請求項28に記載のバッテリーパック。
  30. 複数の前記バッテリーは、所定数の列で配列され、
    それぞれの前記バッテリーの前記端子及びハウジング閉鎖部の外部面は上側に向かって配置されている、請求項29に記載のバッテリーパック。
  31. 前記バッテリーパックは、複数の前記バッテリーを直列及び並列に連結する複数のバスバーを含み、
    前記複数のバスバーは、前記複数の前記バッテリーの上部に配置され、
    前記複数のバスバーのそれぞれは、
    隣接する前記バッテリーの端子同士の間で延長されるボディ部と、
    前記ボディ部の一側に延びて前記一側に位置した前記バッテリーの端子に電気的に接続する複数の第1バスバー端子と、
    前記ボディ部の他側に延びて前記他側に位置した前記バッテリーの前記ハウジングの閉鎖部の外部面に電気的に接続する複数の第2バスバー端子と、を含む、請求項29または30に記載のバッテリーパック。
  32. 請求項29から31のいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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